自動化控制技術在機床上下料中的應用分析

尹文芳

（湖南中南智能裝備有限公司，湖南長沙，410117）

0 引言

在國家大力發展智能制造的背景下，工業機器人作為先進裝備制造業中不可替代的重要裝備，已成為中國工業自動化技術與應用的生力軍。隨著工業機器人與電子技術、視覺識別、無線通訊等的融合，其應用逐步擴展到電子電氣行業、金屬制品業（包括機械）、橡膠及塑料工業和食品工業等領域[1]。

針對傳統機床加工行業加工產品需求量大，且品種繁多，操作人員勞動強度大，生產效率低，定位精度不高的缺點，具備視覺檢測功能的機器人智能加工線能夠更好地解決傳統機床加工制造企業招工難，產品加工質量一致性差的問題，同時為傳統機床加工工廠建設整套的智能化、無人化的生產提供技術基礎。

1 工業機器人

工業機器人是廣泛用于工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，具有一定的自動性，可依靠自身的動力能源和控制能力實現各種工業加工制造功能。工業機器人被廣泛應用于電子、物流、化工等各個工業領域之中[2]。工業機器人基本組成為肘節式6軸結構的機器人本體，控制柜和示教控制器。在工業機器人應用中不同的應用場景配有不同的機器人夾具，用于完成工件的抓取和放置。

機床上下料機器人是在數控機床上下料環節取代了人工的完成工件的自動裝卸功能。機器人夾具采用雙夾具結構，有效提升機器人搬運效率，根據不同型號的工件產品特點設計專用換型抓手，同時兼容多種工件產品的生產，通用型強，且配置自動吹氣裝置，實現切削液清理和加工鐵屑清理。同時，為了滿足兼容多臺機床上下料的需求，生產線配備機器人直線導軌，在導軌上安裝一臺工業機器人，直線導軌伺服電機驅動，具有重復定位精度高，響應速度快，運動平穩等特點。機器人直線導軌采用專門設計齒輪齒條消隙機構，以適應補償齒輪副的安裝誤差、齒輪的裝配誤差，齒輪發熱變形等因素引起的尺寸偏差，有效地提高機器人地軌（導軌）的使用壽命，其重復精度高達±0.03mm，數控機床上下料機器人具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優點，主要適應的對象大多為大批量重復性或者是工件質量較大以及工作環境惡劣條件。

圖1 工廠實景圖

2 PLC控制系統概述

■2.1 可編程控制器PLC

PLC是可編程控制器的簡稱，自20世紀60年代問世以來，由于它具有使用方便、可靠性極高、價格適中等特點，一直處于迅猛發展狀態，已成為工業生產自動化的三大技術（機器人技術、CAD/CAM技術和PLC技術）支柱之一。PLC本質上是一臺用于控制的專用計算機，因此它與一般的控制機在結構上有很大的相似性。PLC的主要特點是與控制對象有更強的接口能力，也就是說，它的基本結構主要圍繞著適宜于過程控制，即過程中數據的采集和控制信號的輸出以及數據的處理要求來進行設計的。

■2.2 PLC控制系統性能

在機床自動上下料生產線應用中，控制系統采用PLC為控制核心，CPU自帶編程接口，配置輸入輸出模塊及穩壓電源。系統采用PLC控制機床工位、液壓設備、上下料機器人、去毛刺設備、安全防護等系統的協同動作，系統帶斷電記憶保護功能，來電后可按原程序斷電點繼續作業，每套系統與數控設備的控制系統對接，通過觸摸屏反映產品加工的實時狀態，并與上位機關聯。

圖2 系統網絡拓撲圖

■2.3 PLC控制系統網絡

控制系統通過標配的通信接口與觸摸屏監控系統通訊，通過通訊總線方式通訊，實現機器人與夾具、輸送機、專機設備其它外圍設備等的聯動，并實現整條生產線之間的互聯?？刂葡到y配視覺系統，通過它來讀取產品的位置，以便機器人進行精確的抓取動作。

控制系統采用了硬接線的方式，與每臺數控機床相連?？刂葡到y給每臺數控機床的控制信號均通過繼電器進行中轉。通過對每臺數控機床的推拉門進行改造，實現其的協同全自動控制。

圖3 視覺控制示意圖

3 自動化控制關鍵技術

■3.1 視覺及測距控制

機床上料過程中，存在不同品種工件產品毛坯厚度不一致使得機器人抓取位置不一致，最終導致工件加工厚度不合格或工件上下表面加工面平面度不合格的問題。通過采用視覺控制技術，配合獨立設計伺服旋轉裝置，實現工件自動位置找正，同時解決機器人正確識別工件放置角度的問題，以達到準確上料目標。

視覺控制通過相機對工件進行拍照，圖像處理單元對工件圖片進行處理，并將工件坐標數據反饋給機器人，控制機器人各關節伺服電機，以實現工件抓??；測距系統測量工件底面到測距系統發光面面的距離，并通過數據轉換單元將測量的模擬信號轉換為數字信號，并將數據傳輸給控制單元，通過機器人實現工件位置補償。

■3.2 機器人控制系統及伺服控制

伺服控制為機器人增加了行走軸和工件擺正旋轉軸兩個外部軸。該設計集成兩個伺服電機、行走導軌及旋轉平臺。機器人本體安裝在行走導軌上，伺服電機控制機器人的移動以保證其在多機床不同位置的精準作業；通過機器人夾具上的視覺系統與旋轉平臺上的伺服電機配合作業，完成工件的擺正或工件特征識別，及有效避免了機器人重復操作導致工件碰撞問題。

■3.3 機床協調控制

設計采集機床自動門、輔助裝置檢測信號、機床加工信號、液壓夾具檢測等信號，并與機床控制器進行數據關聯，集中控制機床自動門、裝夾工件裝置、液壓設備及其他輔助裝置，從而實現機器人與機床等設備協調控制，共同完成全自動加工及上下料的工件生產。

■3.4 控制系統關聯上位管理系統

PLC具有以太網接口，并支持TCP/IP通訊協議，可以將生產數據上傳至上位管理系統，包括加工線計劃生產量，當前生產總量，工件型號等。同時，所有聯網執行設備的關鍵狀態信息，如報警信息以及工作、空閑和故障狀態都可以通過PLC反饋至上位管理系統，為加工線產量統計、故障信息統計和報警統計等提供基礎報表的數據支持。

上位管理系統可自動從PLC獲取相關的數據，保存到數據庫，然后通過服務調用信息上傳接口，把相應的標簽信息上傳到WMS系統。

圖4 PLC與機器人控制示意圖

4 結論

圖5 機床協調控制流程圖

工業機器人、視覺相機具有重復定位精度高、可靠性高、生產柔性化及自動化程度高等無可比擬的優勢，與人工操作相比，可全天候24小時生產，同時改善工人勞動條件，降低機加工車間重金屬對工人帶來的危害，同時能夠極大地提高工件生產質量，全面提升生產效率，減少企業人力管理成本。

自動化控制技術在機床上下料中的應用，實現了機加產品質量的穩定和提高，保證加工件質量的高精度與一致性，并提高了生產效率，降低對工人操作技術難度的要求。在國家工業智能化自動化大環境驅動下，自動化控制技術的廣泛應用必然會推動機床上下料智能加工線的全面應用與發展。